2018年7月18日水曜日

細胞の分子生物学 第7章 「遺伝子発現の調節」 4,5節

担当:相澤
参加者:7名

概要


動植物の様々な細胞は、細胞の型ごとに異なる遺伝子セットを転写する仕組みで主に作り出されている。高等な真核生物では各型の細胞に特定の転写調節因子セットが存在し、その細胞型に適した遺伝子群のみが確実に発言するようになっている。また、専門化した動物細胞は細胞分裂を繰り返しても、また培養増殖下でも固有の性質が維持できる。よって遺伝子調節機構は安定で分裂後も受け継がれる。転写調節因子が自ら永続的に合成できるような直接または間接的な正のフィードバックループは細胞の記憶の最も単純な機構になっている。真核細胞での遺伝子発言記憶パターンを細胞に記憶させるために、受け継がれる形のDNAメチル化やクロマチン凝縮状態を付加機構として使っている。DNAのメチル化はゲノムの刷り込みとも関係している。

議題「ゲノム刷り込みを阻止することでゲノム刷り込み由来の病気の発症を防ぐことはできるのか」

病気の発症の原因は活性を持つ遺伝子が変異、かつゲノムの刷り込みが同時に起こることにある。そのためゲノムの刷り込みを阻止すれば発症は抑えられる。
ゲノムの刷り込みをなくすためには、まずゲノムの刷り込みの存在理由を知る必要がある。存在理由としては議題では二つの説が上がった。

一つは無為生殖を無くすためという説である。ゲノムの刷り込みがなければ必ず両親の遺伝子が必要であり、無為生殖がなくなることで種の多様性を保つことができる。しかし無為生殖は高等な生物の一部で度々起こることが確認されていることであり、無為生殖が生物全般で防ぎたいことであるなら、ゲノムの刷り込みが有胎哺乳類のみで起こることと矛盾している。

もう一つは、大きな子供を残したい雄と大きな子供を残したくないメスの妥協点であるという説である。ゲノムの刷り込みの多くは胎児の成長に関与するで起こり、雄由来の遺伝子で胎盤の形成の決定をしメス由来の遺伝子で子供のサイズを決定する。これは雄としては自分の遺伝子を残したいために子供ができるかどうかを決定させ、雌は自分の身の安全の上で子孫を残したいため子供のサイズを決めていると考えると辻褄が合う。
また胎児目線だと自分の体の大きさを決める上で母体の遺伝子の基づいた体のサイズ決定をすることが最適解と考えられる。これは有袋哺乳類だけで起こることとも矛盾がないが、胎盤の形成の関与する遺伝子が雄由来であることの理由が弱い。

まとめ

議題の結論としては、ゲノムの刷り込みを阻止すれば、病気の発症を防ぐことは可能である。しかし刷り込みを阻止することを考えたときに、ゲノム刷り込みの存在理由が曖昧であり阻止して良いとは言い切れない。したがって発症を無くす第一歩として存在理由を明らかにすることが必要である。

2018年7月13日金曜日

細胞の分子生物学 第7章 「遺伝子発現の調節」 1,2,3節

担当:矢後
参加者:7名

概要

様々な細胞の違いは発現している遺伝子の違いであり、細胞が発生する過程でこの発現する遺伝子の調節が行われている。この調節で最も重要なのはRNA転写の段階である。転写調節因子がDNAの特定のシス調節配列を認識することで、どの遺伝子を発現するかどうか(オンorオフ)を決めるのである。その仕組みとしては、調節因子がシス調節配列に結合すると、状況によってその遺伝子にRNAポリメラーゼが結合できないようにして、RNAの転写が行われないようにしてしまうのである。

議題

細胞がDNAを変化させずに分化する理由
言い換えると、なぜ細胞ごとに異なるDNAを持つようにはならなかったのか

メリット、デメリットとして上げられた意見

メリット

・DNAを変化させないほうが遺伝が容易いのではないか。
(これについては、生殖細胞だけが全情報を保持すれば良いのではないか、という意見も出ている)

・ヒトデ、プラナリア、またはiPS細胞の例ように、細胞分化によってあらゆる細胞になることができる仕組みが成り立つ。

・環境適応(環境によって遺伝子発現の調節を変えること)が可能になる。

デメリット

・1つの細胞に全ゲノム情報があると、サイズの無駄になるのではないか

ゲノムを再編成するにしても、結局はそのための機能が必要なのではないか

初めは「遺伝子発現を調節」 vs 「細胞ごとにゲノムを再編成」の議論かに思われたが、結局は後者も、細胞ごとに決まったゲノムを再編成するためには調節の機能が必要なのではないか、という意見が出た。

免疫細胞は実際にゲノムを再編成する

免疫細胞の中には、ゲノムを再編成するものも存在する。
それぞれの細胞が限られた対象(抗原など)に反応するように、つまり機能を特化させる目的で、ゲノムから余計な部分を削るのである。

まとめ

細胞分化の過程でゲノムを再編成するのは、再編成の調節機能も必要になるため、免疫細胞のような一部を除いては無駄なのかもしれない。
唯一のデメリットとして挙げられた「1つの細胞に全ゲノム情報があると、サイズの無駄になるのではないか」という問題については、実際にどれほどのサイズが必要なのか考える必要があるだろう。

2018年6月26日火曜日

細胞の分子生物学 第6章「ゲノム情報の読み取り」第 2, 3節


担当:小澤
参加者:8名

[概要]
 mRNAの塩基配列はヌクレオチド 3個ずつの組み合わせとして読み取られる。この3文字の組み合わせによって、対応するアミノ酸が生成される。RNAは4種類のヌクレオチド(A,U,C,G)をもつため、この3文字の取りうる組み合わせは4×4×4=64通りである。しかし、 タンパク質に普通見られるアミノ酸は20種である。1つのアミノ酸に対応する3文字の組み合わせには被りがあり、6種類のコドンから翻訳されるアミノ酸もあれば1種類からしか翻訳されないアミノ酸もある。

[議題]
 各アミノ酸に対応するコドンの数が違う理由

ー複数のコドンがある意味ー
 1つのアミノ酸が複数のコドンを持つ場合そのコドンは似ている場合が多い(多くの場合3文字目だけ異なる)。 そうすることで変異によって1文字変わったとしても、 翻訳先のアミノ酸は変わらない、ということが起きる。これによって、変異に対してある程度強くなる。
ー重要度の高い(たくさん必要な)ものは種類が多い?ー
 たくさん必要なものにコドンを多く割り当てることによって、発生確率をあげている可能性がある。
しかし、たくさん必要だから多種のコドンを割り当てたのか、多種のコドンが割り当てられているために多く存在するのか、という疑問も生じる。

ー誤って生成された際に有害なものは種類が少ない?ー
 コドンが 1種類しかないものはメチオニン(開始コドン)とトリプトファン。コドンを6種類(最多)持つものはアルギニン、ロイシン、セリン。トリプトファンは側鎖が以上に大きくロイシンとセリンは小さい。 開始コドンが誤って生成されると新しく誤生成された開始コドンから元々開始コドンだった場所までの間で、大量の不要なアミノ酸が生成される。また、側鎖の大きいものほど誤生成されたときの影響が大きい、これらのことから、 コドンの種類は誤生成されたときの危険度と関係がありそうだ。

ー偶然?ー
 コドン表が最適であるかはわからない。あるときある程度うまくいくコドン表が生まれ、それが爆発的に広がり、コドン表の最適化は行われていない可能性がある。シミュレーションをすることで、コドン表がどの程度効率的に作られているかが分かるかもしれないが、計算量は膨大である。



まとめ
 コドンが複数あることによって、変異に強くなる。ただし、たくさんのコドンを持つアミノ酸は、変異によって誤って生成される確率が高い。誤生成された場合に致命的となるようなアミノ酸には割り当てられているコドンが少ない可能性がある。

2018年6月7日木曜日

細胞の分子生物学 第6章「ゲノム情報の読み取り」1節

担当:荒井
参加者:8名

[概要]
 DNAからの転写によってmRNAは生成される。転写の開始および終了位置は特定の配列により決定され、転写はRNAポリメラーゼが行う。細菌ではRNAポリメラーゼは1種類だが、真核生物では複数となり複雑さを増す。転写されたmRNAに対してタンパク質に翻訳されない領域イントロンを切除するスプライシングを行う。適切に加工されたmRNAは核膜孔複合体を通って細胞質へと運ばれ、タンパク質となる。最終産物がRNAとなる物も存在し、細胞内で構造体や調節因子として働く。

[議論点]
Why do we need to convert DNA to RNA to make proteins? Why cant we skip the process of transcription?
なぜタンパク質合成のためにDNARNAに転写する必要があるのか?なぜ転写を省略することは出来ないのか?

RNA転写のメリットの考察
 遺伝情報保存の能力だけでなく伝達する能力も兼ねている
 DNAよりもサイズが小さいため情報伝達の能力が高い(必要な情報のみ伝達可能)
 不要になった要素を破棄することが簡単
 全てのDNA鎖を開くには時間がかかるため部分的に行う転写の方が時間効率が良い
 DNAにとってはタンパク質合成よりもRNA転写の方がコスパが良い
スプライシングをする手間があるため一概にそうかは分からない

RNA転写のデメリットの考察
 DNAから直接プロテインを生成するよりも1ステップ多くなっている
 DNA複製と比べて塩基配列の誤りは多くなる(DNA複製の約1,000倍の確率)

DNARNAの比較
 双方とも2本鎖を形成するが、RNAは2本鎖で安定した状態が複数存在する。したが
 って、DNAの方がより画一的な状態で保存できていると考えることも出来る。

古来DNAは存在していなかった可能性
 生物の起こりの段階では細胞はRNAの海であり、RNAからタンパク質を合成すると
 いう方法しか存在しなかった。また、RNAが突然変異を起こしてDNAが誕生したと
 いう説もある。

[まとめ]
 RNAを転写によって生成するメリットは多数考えられた。特にDNAよりもRNAの方が小さなサイズであるという点は大きな違いであると思われる。また、DNAよりもRNAが古来から存在しているのではないかという観点も現在のRNA転写を考える一つの要素である。

2018年6月4日月曜日

Molecular Biology of Cells Chapter 5 (Second Half)

DNA Repair


Organism should maintain the genetic stability for its survival. DNA repair is correction of spontaneous changes in DNA by a set of processes that are collectively. The importance of DNA repair is evident from cells make in DNA repair enzymes. For example, human disease named Xeroderma pigmentosum (XP), the afflicted individuals have an extreme sensitivity to ultraviolet radiation because they are unable to repair certain DNA photoproducts.
Without DNA repair, spontaneous DNA damage would rapidly change DNA sequence. For example, the DNA of each human cell loses about 5000 purine bases (adenine and guanine) every day because their N-glycosyl linkages to deoxyribose hydrolyze, a spontaneous reaction called depurination. If left uncorrected when the DNA is replicated, most of these changes would be expected to lead either to the deletion of one or more base pairs or to a base-pair substitution in the daughter DNA chain.
The DNA double helix is readily repaired. Thus, when one strand is damaged, the complementary strand retains an intact copy of the same information, and this copy is generally used to restore the correct nucleotide sequences to the damaged strand.
DNA damage can be removed by 2 pathways:
1.     Base excision repair -> the altered base is removed by a DNA glycosylase enzyme, followed by excision of the resulting sugar phosphate.
2.     Nucleotide excision repair -> a small section of the DNA strand surrounding the damage is removed from the DNA double helix as an oligonucleotide
Other critical repair systems-based on either non-homologous end-joining or homologous recombination-reseal the accidental double-strand breaks that occur in the DNA helix.

Homologous Recombination


Nucleotide sequences are exchanged between two similar or identical molecules of DNA. The used of homologous recombination are:
1.     Accurately repairing double-strand break
2.     Exchange bits of genetic information between two different chromosomes to create new combinations of DNA sequences in each chromosome during meiosis
3.     Used in horizontal gene transfer to exchange genetic material between different strains and species of bacteria and viruses
Term: hybridization -> single-stranded DNA or RNA molecules anneal (pair by hydrogen bonds to form a double-stranded polynucleotide) to complementary DNA or RNA.

Transposition and Conservative Site-Specific Recombination


These two types of recombination (collectively termed mobile genetic elements) can alter gene order along a chromosome, and cause unusual types of mutations that add new information to genomes. It often considered to be molecular parasites that persist because cells cannot get rid of them; they certainly have come close to overrunning our own genome. However, it can provide benefits to the cell, in the case of antibiotics resistance in bacterial cells.
1.     Transposition is the movement of genetic material between unicellular and/or multicellular organisms by horizontal transmission of DNA from parent to offspring. This is the primary mechanism for the spread of antibiotic resistance in bacteria.
On the basis of their structure and mechanism, transposition can be grouped into: DNA-only transposons, retroviral-like retrotransposons, and nonretroviral retrotransposons.
Term: transposons or transposable elements -> a specific enzyme called transpoase, acts on a specific DNA sequence at each end of transposon, causing insert into a new target DNA site.
2.     Conservative site-specific recombination can distinguish from transposition. First, it requires specialized DNA sequences on both the donor and recipient DNA. Second, the reaction mechanisms are fundamentally different.
This recombination can be used to turn genes on or off. It was discovered in bacteriophage lambda.
Discussion
Is it possible to make the desired sequence by utilizing transposition?
The idea: 
- transposons can move everywhere on the genome.
- we can imagine where the transposons will be move on the genome.

Application of Transposons
  1. Control HIV virus to become less active. There are 2 ways: 1) copy and paste, 2) cut and paste. With cutting the HIV sequence, it can decrease the spread of HIV virus. Cut and paste way can make the desired sequence by using transposons.
  2. Cure danger sequence in human (possibly).
  3. Transposons can be used to randomly disrupt gene. So, we can select good result from it.
  4. To introduce new sequence.




2018年5月28日月曜日

細胞の分子生物学 第5章前半「DNAの複製」

担当:三好
参加者:9名

概要
 

  1. 短期間の生存を考えると、細胞はDNA内に変化が起こることを避けたほうが良いが、種の長期的な生存にはDNAシーケンスは可変であることが望ましい。細胞はDNAを守ろうとしますがまれにDNAシーケンスの変化は起こります。このような変異が起こる確率は観測できるだろうか。虫やバクテリアなどによる実験室内での観測をによると、10^9ヌクレオチド中1つの割合で変異が起こるらしく、このことから変異はとてもまれなものだと分かる。
  2. さて、このDNA複製メカニズムは,一秒間に1000個のヌクレオチドの速さで複製が行われているのにも関わらず、どのようにしてこのような高い正確性を持たせることができるのだろうか。これには、娘のDNA鎖を親(template)から作り出すとき、2段階の誤り訂正が行われているからである。まず第一段階として、合成中の鎖に、ヌクレオチドが付加される直前にDNAポリメラーゼが行う。ポリメラーゼというのは、その単量体(monomer)を結合させて重合体(polymer)を合成する酵素である。ポリメラーゼよって、ヌクレオチドの付加を触媒する前に、正しい塩基対の立体構造のとき活性部位を閉じる反応がより起こりやすいことを利用して、塩基対の配置が正しいのか確認するように働く。二段階目の誤り訂正は、エキソヌクレアーゼ活性によるものである。これは、簡単に言えば塩基対形成しないような塩基をこの活性によって切りとるような反応である。このエキソヌクレアーゼ活性は、DNA複製が5’から3’方向にしか起こらないことを説明する裏づけにもなっている。将棋や囲碁で言うところの、「待った」のような機能であると私は思った。このような修正機構をもったDNA複製機構は、RNA合成やnRNA合成の翻訳過程の誤り率の10万分の一であり、驚くべき制度といえる。
  3. DNA合成は最初短いRNA分子を使って、Y字フォークのリーディング鎖でまず一時的にプライマーRNA分子を使って始まり、そのプライマーRNA分子はDNAに置き換えらる。線上DNAのいちばん端では、プライマーRNAを作る余地がない。細菌はこの問題を染色体を環状DNAにして解決している。一方で、真核生物は、染色体の末端に特定の塩基配列をおいて、テロメアを構成するやりかたで解決。ヒトの体細胞ではこのテロメア反復配列が各細胞に備わる計数装置となって, 成体組織で“不良" 細胞が際限なく増殖するのを防ぐ役をしているという考えがある。

議論:
不老は実現可能か

"老い"とテロメア
・真核生物は染色体の末端にテロメアを置く 
テロメアはろうそくのように寿命を定める
テロメアは真核生物にとって不良細胞が増殖するのを防ぐ役割(例:がん)
・菌類は染色体を環状DNAにして解決
菌類はある意味"老い"ない
何億年も生きてきた大腸菌の固体が存在する可能性
一方で、われわれの生殖細胞は何億年も変わらない(生殖細胞は不老?)

"老い"のメリット
・リソースの問題
人口が増えすぎると食料が枯渇する
・環境適応の問題
新環境に適応するための変化を、一世代のみで行うよりは新たな固体を産み出す過程において生じる変化を利用して、つまり多世代で行うほうが効率よい

まとめ
コピーを繰り返す細菌のなかには、ある意味"不老"の固体がいるだろう
一方で、真核生物にとって、"老い”は種全体として新たな適応に対応するための重要なメカニズムであり、必要不可欠である


2018年5月21日月曜日

細胞の分子生物学 第4章「DNA, 染色体,ゲノム」


担当:顔
参加者:9名

概要
 DNAの構成単位であるヌクレオチドは糖、リン酸また塩基また塩基の水素結合を通して2本のヌクレオチド鎖の螺旋というDNA分子を構成する。真核生物のDNAは染色体のセットに分納されて、タンパク質の複合体と結合して染色体に構成します。異なる真核生物の種はここの染色体へのゲノムの割り当て方も異なる。
 またにヘテロクロマチンとユークロマチンを紹介しました。ヘテロクロマチンは普通、セントロメアの周りやテロメア近くに見つかるが、染色体の他の多くの部位にも存在する。遺伝子はヘテロクロマチンに詰め込まれると休止状態になります。
 ランプブラシ染色体と多系染色体の研究から、各クロマチンループは30nmクロマチン繊維が折たまれできていると考えられる。
 DNAの複製や修復過程の精度は極めて高くて、ゲノムの塩基配列を維持する過程でランダムに起こる誤りはごく稀で、どの系統でも100万年ごとに1000塩基あたり約1塩基のみ変化する程度です。人とチンバンジーの遺伝子は基本的に同じなだけではなく、各染色体上の遺伝子の順序もほぼ同じである。


議論点
純化選択によって保存される重要な機能にどんなものがありますか。


純化選択は何か

・保存メカリズム
・大事な配列に変異しない
・大事な配列に変異したら死ぬ


重要な機能にどんなものがあるか

タンパク質翻訳領域
・RNA転写領域
・コドン表


まとめ
純化選択は保存メカリズムで、ある大事な配列に変異しないまたは変異したら死ぬということである。それを通して保存される機能はタンパク質翻訳領域、RNA転写領域などがある